印制板故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計
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摘要：一套基于過驅(qū)動技術(shù)的印制板故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)由工控計算機、過驅(qū)動功能板和測試針床板等組成。過驅(qū)動功能板的設(shè)計充分考慮了被測對象的各種故障模型，測試功能比較完備。提出了元件“級”的概念，基于此概念來設(shè)計針床板與功能板之間的接口，實現(xiàn)了測試策略的優(yōu)化。
數(shù)字設(shè)備故障自動測試與診斷的研究隨著數(shù)字設(shè)備的發(fā)展而不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的數(shù)字設(shè)備故障診斷技術(shù)是利用半導體器件允許瞬態(tài)過載的特性，采用過驅(qū)動技術(shù)在線隔離和測試器件；隨后相繼出現(xiàn)了紅外測試技術(shù)和新一代的非向量測試技術(shù)，如電容耦合技術(shù)、射頻磁場感應技術(shù)、模擬結(jié)效應測試技術(shù)等。目前國內(nèi)外開發(fā)的通用印制板故障診斷儀比較多，功能也比較強。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本系統(tǒng)診斷的對象是一套數(shù)字設(shè)備，該設(shè)備由多塊以TTL器件為主的數(shù)字電路印制板組成。本系統(tǒng)對出現(xiàn)故障的診斷對象進行器件故障診斷和維修，因此被測對象不存在器件插錯方向的故障。系統(tǒng)可能的故障模型主要有：①器件功能故障；②電路板發(fā)生橋接故障；③電源與地的絕緣電阻過小或短路。另外，要求該系統(tǒng)具有較小的體積和較輕的重量。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由微機、液晶顯示屏、操作按鈕、過驅(qū)動電源、過驅(qū)動功能板和測試針床板組成。為了減小系統(tǒng)的體積和重量，采用工控機系統(tǒng)平臺和液晶顯示屏；為了方便操作，采用設(shè)置一定的功能鍵代替鍵盤；為了減少過驅(qū)動對操作平臺的干擾，過驅(qū)動功能板采用獨立的電源。測試時測試針床通過探針與被測印制板的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可靠接觸。由于該系統(tǒng)的測試針床板和安裝測試針床板的模具要求很高的機械加工精度，必須采用精密加機床進行加工。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
2.1 過驅(qū)動功能板的設(shè)計
印制板最致命的故障是電源與地的短路（對印制板盲目地通電很容易燒毀器件和電路板）。過驅(qū)動功能板設(shè)計了在印制板不加電的條件下測試電源與地之間的阻抗的電路，電路原理如圖2所示。
當印制板電源與地之間的阻抗過小或者短路時，發(fā)光二極管燈亮。
由于印制電路板的橋接故障改變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，應用傳統(tǒng)的向量測試生成技術(shù)診斷起來比較困難。應用在線測試的方法，即在被測印制板不加電的情況下測試所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的阻抗，則可以較好地診斷整個電路中發(fā)生的橋接故障。電路原理如圖3所示。
任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過地址開關(guān)的選通接入采樣電路，采樣電路利用分壓的原理測量a、b之間的電阻。
過驅(qū)動功能板插接在計算機的ISA總線插槽上。由于過驅(qū)動瞬時加入時，電源的負載會突然增大，給計算機造成比較強的干擾，所以過驅(qū)動功能板的過驅(qū)動電流必須采用獨立的電源提供，而過驅(qū)動功能板的控制部件依然由計算機的電源接入。
對器件的功能故障進行測試時，過驅(qū)動功能板的設(shè)計還要考慮到以下幾個因素：
（1）每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既可能是過驅(qū)動的輸入點，又可能是響應的輸出點；
（2）作為過驅(qū)動點時，既可能是灌電流點，又可能是拉電流點；
（3）由于過驅(qū)動電流大，需要采用高速繼電器控制；
（4）由于過驅(qū)動的瞬態(tài)性，必須保證同時施加激勵，同時測試響應；
（5）由于計算機數(shù)據(jù)線位數(shù)的限制，必須首先鎖存激勵的狀態(tài)。然后由一根控制線將激勵同時加到被測印制板上，鎖存印制板在該激勵下的響應，然后分多次讀出響應結(jié)果。
基于以上幾點因素，對每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的功能測試電路如圖4所示。
對電路結(jié)構(gòu)設(shè)計說明如下：
（1）灌電流和拉電流傳輸?shù)穆窂缴暇捎酶咚倮^電器控制，其它控制門采用TTL門控制。
（2）當印制板不加電時，單刀雙擲高速繼電器接地通被測點到多選2開關(guān)的通路，接通電路的橋接故障測試通路；當印制板加電時，接通過驅(qū)動電路到被測點的通路，使被測點可以接受灌電流或拉電流接通輸出電路。
（3）測試點狀態(tài)選擇端在印制板加電的狀態(tài)下控制被測點是輸入還是輸出。
（4）各個被測點的激勵施加控制端和響應測試控制端連接到一起，保證同時施加激勵和同時測試響應。
將每個被測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的上述電路作為一個模塊，該模塊如圖5所示。
所有被測點的模塊與計算機系統(tǒng)總線的控制原理如圖6所示。圖中的印制板加電控制由微機面板上的操作按鈕開關(guān)直接控制。
2.2 測試針床板與過驅(qū)動功能轉(zhuǎn)接的設(shè)計
任何組合邏輯電路都可以用圖論中的樹形結(jié)構(gòu)來表示其拓撲關(guān)系，用小圈表示器件，用來向線段表示信號的流向（一根有向線對應一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點），在有扇出的電路中，每個扇出點用分叉的有向線段表示。邏輯電路拓撲圖如圖7所示。其中，a、b、c、d為原始輸入端，1～9為有向線段，A、B、C為器件。
印制板上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既是一個器件的輸入，又是另一個器件的輸出，而在一次測試中該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不可能既為輸入又為輸出。所以確定一個合理的測試策略，可以充分利用系統(tǒng)的資源，在最短的時間內(nèi)測試完所有的器件。
本文提出根據(jù)被測印制板的電路拓撲圖將器件劃分為不同的“級”。在論述“級”的概念之前，先引入一個“路徑長度”的概念?！奥窂介L度”為原始輸入端的信號向輸出端傳遞的過程中經(jīng)歷的器件的個數(shù)。以圖7為例：1～4構(gòu)成一條路徑，經(jīng)歷一個器件A，路徑長度為1；1～5～8～9構(gòu)成另一條路徑，經(jīng)歷三個器件，路徑長度為3。器件的“級”的確定原則是：從原始輸入端到器件的輸入端的路徑中的最長路徑即為該器件的“級”。根據(jù)器件的“級”，可以確定如下的過驅(qū)動測試策略：首先過驅(qū)動奇數(shù)“級”的器件，然后過驅(qū)動偶數(shù)“級”的器件。為了達到這樣的測試目的，測試針床板在引出各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時將不同“級”的器件的輸入端連接在一起。
3 對系統(tǒng)測試的幾點說明
該系統(tǒng)對不同的印制板進行測試時，換用不同的測試針床板，每塊針床板在與通用的過驅(qū)動功能板連接時具有不同的轉(zhuǎn)接關(guān)系。
不同的印制板對應不同的故障測試子程序的執(zhí)行由控制按鈕直接控制。
故障診斷的策略由測試子程序和過驅(qū)動功能板與測試針床板的硬件連接配合實現(xiàn)。對某器件進行測試時，如果該器件的輸出端存在到輸入端的反饋環(huán)，必須斷開反饋環(huán)，否則由于反饋產(chǎn)生毛刺，將會得到錯誤的測試結(jié)果。
本文詳細設(shè)計了一種基于過驅(qū)動技術(shù)的印制板故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用液晶顯示屏和按紐控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和操作的方便性；針對被測對象的特點和故障模型（如橋接故障、電源故障以及器件的功能故障）設(shè)計了通用的過驅(qū)動功能板，診斷功能較強。本文學提出了器件“級”的概念，基于此概念設(shè)計了針床板與功能板之間的接口，達到了診斷策略的優(yōu)化。
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